Python超人-宇宙模拟器

bodies/body.py

@@ -26,7 +26,7 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
                  text_color=None,
                  texture=None, size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
                  rotation_speed=None, parent=None, ignore_mass=False,
-                 is_fixed_star=False, trail_color=None, show_name=False):
+                 is_fixed_star=False, show_trail=True,trail_color=None, show_name=False):
         """
         天体类
         @param name: 天体名称
@@ -44,6 +44,7 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
         @param ignore_mass: 是否忽略质量（如果为True，则不计算引力）
                             TODO: 注意：这里的算法是基于牛顿的万有引力（质量为0不受引力的影响在天体物理学中是不严谨）
         @param is_fixed_star: 是否为恒星
+        @param show_trail: 天体拖尾是否显示
         @param trail_color: 天体拖尾颜色（默认天体颜色）
         @param show_name: 是否显示天体名称
         """
@@ -81,6 +82,7 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
         self.__rotation_speed = rotation_speed
 
         self.color = color
+        self.show_trail = show_trail
         self.trail_color = color if trail_color is None else trail_color
         self.texture = texture
 

bodies/earth.py

@@ -29,7 +29,7 @@ class Earth(Body):
                  color=(7, 0, 162), texture="earth1.jpg", text_color=None,
                  size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
                  rotation_speed=15, ignore_mass=False,
-                 trail_color=None, show_name=False,
+                 show_trail=True, trail_color=None, show_name=False,
                  parent=None):
         params = {
             "name": name,
@@ -45,6 +45,7 @@ class Earth(Body):
             "distance_scale": distance_scale,
             "rotation_speed": rotation_speed,
             "ignore_mass": ignore_mass,
+            "show_trail": show_trail,
             "trail_color": trail_color,
             "show_name": show_name,
             "parent": parent

common/celestial_data_service.py

@@ -6,11 +6,31 @@
 # link            :https://gitcode.net/pythoncr/
 # python_version  :3.8
 # ==============================================================================
+import math
+from common.consts import G
+from bodies import Body
+
+
+def calc_solar_acceleration(body_or_pos, big_body):
+    if isinstance(body_or_pos, Body):
+        body_pos = body_or_pos.position
+    else:
+        body_pos = body_or_pos
+    x, y, z = body_pos[0] * 1000 - big_body.position[0] * 1000, \
+              body_pos[1] * 1000 - big_body.position[1] * 1000, \
+              body_pos[2] * 1000 - big_body.position[2] * 1000
+    r = math.sqrt(x ** 2 + y ** 2 + z ** 2)
+    a = G * big_body.mass / r ** 2
+    ax = -a * x / r
+    ay = -a * y / r
+    az = -a * z / r
+    return [ax / 1000, ay / 1000, az / 1000]  # 设置天体的加速度（单位：km/s²）
 
 
 def get_body_posvel(body, time=None):
     """
     获取太阳系天体指定时间的位置和矢量速度
+    pip install -i http://pypi.douban.com/simple/ --trusted-host=pypi.douban.com de423
     @param body: 天体（天体名称）
     @param time: 时间
     @return:
@@ -59,6 +79,7 @@ def recalc_moon_position(moon_posvel, earth_pos):
 
 
 def get_celestial_body_data(body_name):
+    # pip install ephem
     import ephem
     # 创建一个Observer对象，用于指定观测者的位置
     observer = ephem.Observer()
@@ -75,8 +96,19 @@ def get_celestial_body_data(body_name):
     velocity = (body.ra_velocity, body.dec_velocity)  # 天体的赤经速度和赤纬速度
     return position, velocity
 
-    # # 示例用法
-    # body_name = 'Mars'  # 天体名称，这里以火星为例
-    # position, velocity = get_celestial_body_data(body_name)
-    # print(f"The current position of {body_name} is: {position}")
-    # print(f"The current velocity of {body_name} is: {velocity}")
+
+# pip install Astropysics
+
+if __name__ == '__main__':
+    # pip install astropy
+    from astropy.coordinates import get_body_barycentric_posvel
+    from astropy.time import Time
+    # from astropy.units. import Unit
+
+    from common.consts import AU, SECONDS_PER_DAY
+
+    t = Time.now()
+    print("日期时间：", t)
+    posvel = get_body_barycentric_posvel('earth', t)
+    print("坐标(公里)：", posvel[0] * AU)
+    print("速度(公里/秒)：", posvel[1] * AU / SECONDS_PER_DAY)

sim_scenes/solar_system/solar_system_reality.py

@@ -6,13 +6,11 @@
 # link            :https://gitcode.net/pythoncr/
 # python_version  :3.8
 # ==============================================================================
-# pip install -i http://pypi.douban.com/simple/ --trusted-host=pypi.douban.com de423
-
 
 import numpy as np
 
 from bodies import Sun, Mercury, Venus, Earth, Mars, Asteroids, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptune, Moon
-from common.celestial_data_service import get_body_posvel, recalc_moon_position
+from common.celestial_data_service import get_body_posvel, recalc_moon_position, calc_solar_acceleration
 from common.consts import SECONDS_PER_WEEK, SECONDS_PER_DAY, AU
 from sim_scenes.func import ursina_run
 from simulators.ursina.entities.body_timer import TimeData
@@ -32,22 +30,37 @@ class SolarSystemRealitySim:
         self.clock_position_center = False
         self.show_earth_clouds = False
         self.debug_mode = False
+        self.recalc_moon_pos = True
 
     def create_bodies(self):
         """
         创建太阳系的天体
         @return:
         """
+        # 由于宇宙空间尺度非常大，如果按照实际的天体大小，则无法看到天体，因此需要对天体的尺寸进行放大
+        # 太阳缩放比例
         self.sun_size_scale = 0.04e2 if self.debug_mode else 0.4e2
-        self.earth_size_scale = 10e3 if self.debug_mode else 1e3
+
+        # 地月缩放比例
+        # 为了好的展示效果，需要对月球的位置重新计算（地月距离放大，月球相对地球方向不变），重新计算位置后，地球和月球可以放大1000倍以上
+        if self.recalc_moon_pos:  # 重新计算月球位置
+            self.earth_size_scale = 10e3 if self.debug_mode else 1e3
+            self.moon_size_scale = 2e3
+        else:
+            # 不重新计算，则地月的距离相对整个太阳系会非常近，因此，月球只放大了10倍
+            self.earth_size_scale = 1e1
+            self.moon_size_scale = 1e1
 
         self.sun = Sun(name="太阳", size_scale=self.sun_size_scale)  # 太阳
         self.mercury = Mercury(name="水星", size_scale=1.5e3)  # 水星
         self.venus = Venus(name="金星", size_scale=1e3)  # 金星
-        self.earth = Earth(name="地球", texture="earth_hd.jpg", size_scale=self.earth_size_scale)  # 地球
-        self.earth_clouds = Earth(name="地球云层", texture="transparent_clouds.png",
+        self.earth = Earth(name="地球", texture="earth_hd.jpg",
+                           rotate_angle=3.44,
+                           size_scale=self.earth_size_scale)  # 地球
+        self.earth_clouds = Earth(name="地球云层", texture="transparent_clouds.png", show_trail=False,
+                                  rotate_angle=3.44,
                                   size_scale=self.earth_size_scale * 1.01)  # 地球云层
-        self.moon = Moon(name="月球", size_scale=2e3)  # 月球
+        self.moon = Moon(name="月球", size_scale=self.moon_size_scale)  # 月球
         self.mars = Mars(name="火星", size_scale=1.2e3)  # 火星
         self.asteroids = Asteroids(size_scale=1e2, parent=self.sun, rotate_angle=-20)  # 模拟的小行星带
         self.jupiter = Jupiter(name="木星", size_scale=4e2)  # 木星
@@ -90,19 +103,32 @@ class SolarSystemRealitySim:
         # 设置后，可以调整鼠标键盘的控制速度
         application.time_scale = 2
 
-    def show_timer_text(self, time_data):
-        dt = time_data.get_datetime(str(self.start_time))
+    def set_earth_rotation(self, dt):
+        """
+        根据指定的时间控制地球的旋转角度（保证地球的自转和北京时间同步）
+        @param dt: 时间 datetime
+        @return:
+        """
 
-        # 需要按照时间和日期控制地球的自转，不能随意转动
-        # 日期是当年的第几天
+        # timetuple 可以获取当天的小时数、分数钟、秒数
         timetuple = dt.timetuple()
-
-        # 计算出：日期当天的偏转角度
+        # 当年的第几天
         day_of_year = timetuple.tm_yday
+        # 根据当年的第几天计算出该日期当天的偏转角度：360度 / 365天 = 当天的偏转角度
         angle_of_day = day_of_year * (360 / 365)
+        # 计算出精确的小时数
         total_hours = timetuple.tm_hour + timetuple.tm_min / 60 + timetuple.tm_sec / 60 / 60
-        self.earth.planet.rotation_y = -total_hours * 15 - angle_of_day
-        # print(time_data.get_datetime(str(self.start_time)))
+        # -total_hours： 负号控制地球的旋转方向、1天24小时，360度/24=15
+        # total_hours * 15：1天24小时，360度/24小时=1小时15度
+        # angle_of_day： 1年第几天的角度
+        self.earth.planet.rotation_y = -total_hours * 15 - angle_of_day + 15  # 精确调整
+
+    def show_clock(self, dt):
+        """
+        显示时钟
+        @param dt: 时间 datetime
+        @return:
+        """
         if self.clock_position_center:
             position, origin = (0, .25), (0, 0),
         else:
@@ -114,9 +140,9 @@ class SolarSystemRealitySim:
                                           font="verdana.ttf",
                                           close_time=-1)
 
-    def on_timer_changed(self, time_data: TimeData):
+    def set_bodies_position(self, time_data: TimeData):
         """
-        时时刻刻运行
+        设置天体的位置（包含速度和加速度的信息）
         @param time_data:
         @return:
         """
@@ -133,7 +159,10 @@ class SolarSystemRealitySim:
                 posvel = get_body_posvel(body, t)
 
             if isinstance(body, Moon):  # 如果是月球，为了好的展示效果，需要对月球的位置重新计算
-                posvel = recalc_moon_position(posvel, earth_pos)
+                moon_real_pos = [posvel[0].x.value * AU, posvel[0].z.value * AU, posvel[0].y.value * AU]
+                # TODO:注释下行，月球就会在真实的位置
+                if self.recalc_moon_pos:
+                    posvel = recalc_moon_position(posvel, earth_pos)
 
             if posvel is None:
                 # posvel 为空，则使用太阳的坐标
@@ -151,14 +180,37 @@ class SolarSystemRealitySim:
             body.position = np.array(position)
             body.velocity = np.array(velocity)
 
-            if isinstance(body, Earth):
-                # 记录地球的位置
-                earth_pos = posvel[0]
+            if isinstance(body, Asteroids):
+                pass
             elif isinstance(body, Sun):
                 # 记录太阳的位置
                 sun_pos = posvel[0]
+            elif isinstance(body, Moon):
+                # 月球受到2个影响比较大的天体引力（地球和太阳），计算引力引起的加速度和
+                acc_earth = calc_solar_acceleration(moon_real_pos, self.earth)
+                acc_sun = calc_solar_acceleration(moon_real_pos, self.sun)
+                body.acceleration = [acc_earth[0] + acc_sun[0],
+                                     acc_earth[1] + acc_sun[1],
+                                     acc_earth[2] + acc_sun[2]]
+            else:
+                # 其他天体受到太阳引力
+                body.acceleration = calc_solar_acceleration(body, self.sun)
 
-        self.show_timer_text(time_data)
+            if isinstance(body, Earth):
+                # 记录地球的位置
+                earth_pos = posvel[0]
+
+    def on_timer_changed(self, time_data: TimeData):
+        """
+        时时刻刻运行
+        @param time_data:
+        @return:
+        """
+        dt = time_data.get_datetime(str(self.start_time))
+        # 设置天体的位置（包含速度和加速度的信息）
+        self.set_bodies_position(time_data)
+        self.set_earth_rotation(dt)
+        self.show_clock(dt)
 
     def bind_events(self):
         # 运行中，每时每刻都会触发 on_timer_changed
@@ -171,22 +223,38 @@ class SolarSystemRealitySim:
             start_time=None,
             show_asteroids=False,
             show_earth_clouds=False,
+            recalc_moon_pos=True,
             clock_position_center=False):
         """
         模拟运行
+        @param debug_mode: 是否调试模式
+        @param start_time: 运行的开始时间
+        @param show_asteroids: 是否显示小行星带
+        @param show_earth_clouds: 地球是否显示云层（图片效果，不是真实的云层）
+        @param recalc_moon_pos: 为了好的展示效果，需要对月球的位置重新计算（地月距离放大，月球相对地球方向不变）
+        @param clock_position_center: 时钟是否显示在中间
         @return:
         """
+        self.recalc_moon_pos = recalc_moon_pos
         self.debug_mode = debug_mode
         self.clock_position_center = clock_position_center
         self.show_asteroids = show_asteroids
         self.show_earth_clouds = show_earth_clouds
-        self.create_bodies()  # 创建太阳系天体
-        self.init_earth()  # 初始化地球
-        self.bind_events()  # 绑定事件
-
+        # 创建太阳系天体
+        self.create_bodies()
+        # 对地球进行初始化
+        self.init_earth()
+        # 绑定事件
+        self.bind_events()
+
+        from astropy.time import Time
+        from datetime import datetime
+        # 开始时间为空，则默认为当前时间
         if start_time is None:
-            from astropy.time import Time
             self.start_time = Time.now()  # 获取默认开始时间为当前时间
+        elif isinstance(start_time, str):
+            self.start_time = Time(datetime.strptime(start_time + '+0800', '%Y-%m-%d %H:%M:%S%z'),
+                                   format='datetime')
 
         dt = SECONDS_PER_DAY  # 1秒=1天
         dt = 1  # 1秒=1秒
@@ -203,10 +271,12 @@ class SolarSystemRealitySim:
 
 if __name__ == '__main__':
     #  以下展示的效果为太阳系真实的时间和位置
-    #  由于宇宙空间尺度非常大，如果按照实际的天体大小，则无法看到天体，因此需要对天体的尺寸进行放大
-
     sim = SolarSystemRealitySim()
     sim.run(
-        debug_mode=True,
-        clock_position_center=True
+        # debug_mode=True,  # 是否调试模式
+        # start_time='2023-08-05 19:20:00',  # 指定运行的开始时间，不指定为当前时间
+        # show_asteroids=True,  # 是否显示小行星带（图片模拟）
+        # show_earth_clouds=True,  # 地球是否显示云层（图片效果，不是真实的云层）
+        # recalc_moon_pos=False,  # 为了好的展示效果，需要对月球的位置重新计算（地月距离放大，月球相对地球方向不变）
+        # clock_position_center=True  # 时钟是否显示在中间
     )

simulators/ursina/entities/body_timer.py

@@ -63,6 +63,8 @@ class TimeData:
     def get_datetime(self, init_datetime):
         import datetime
         # UTC_format = "%Y-%m-%dT%H:%M:%S.%fZ"
+        if len(init_datetime) == 19:
+            init_datetime = init_datetime + ".000"
         UTC = datetime.datetime.strptime(init_datetime + "Z", "%Y-%m-%d %H:%M:%S.%fZ")
         # BJS_format = "%Y-%m-%d %H:%M:%S"
         BJS = UTC + datetime.timedelta(hours=8+self.total_hours)

simulators/ursina/entities/entity_utils.py

@@ -261,7 +261,7 @@ def create_rings(parent):
     # 创建行星环
     torus = create_torus(0.7, 1.2, 64)
     parent.ring = Entity(parent=parent, model=torus, texture=rings_texture, scale=1,
-                       rotation=(parent.ring_rotation_x, 0, 0), double_sided=True)
+                         rotation=(parent.ring_rotation_x, 0, 0), double_sided=True)
 
     # 设置行星环不受灯光影响，否则看不清行星环
     parent.ring.set_light_off()
@@ -327,7 +327,9 @@ def create_fixed_star_lights(fixed_star):
         if fixed_star.body_view.body.light_on:
             for i in range(2):
                 # 创建 PointLight 对象，作为恒星的灯光源
-                light = PointLight(parent=fixed_star, intensity=10, range=10, color=color.white)
+                light = PointLight(parent=fixed_star, # model="sphere",
+                                   scale=10,
+                                   intensity=10, range=10, color=color.white)
 
 
 def get_value_direction_vectors(vectors):